Rapport sur le stage effectué du 1 er juin 2010 au 31 juillet 2010 au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et des Nanostructures de Lyon Génération de pseudo-potentiel atomique pour des matériaux semi-conducteur Bertrand Baurens Diplôme : Master 1 de physique Année : 2009/2010 Université Claude Bernard Lyon 1 1
Remerciements Je tiens à remercier Silvana Botti et Miguel Marques, mes deux tuteurs lors de ce stage, qui m ont chaleureusement accueilli au sein du groupe, et m ont apporté aide et conseil tout au long de ces deux mois de stages. Je remercie également tous les membres du groupe «théorie et modélisation», pour leur accueil et l aide qu ils ont pu m apporter, spécialement Guillerme Vilhena, pour sa disponibilité lorsque mes tuteurs n étaient pas présent. Je remercie Jean-Louis Barrat, directeur du LPMCN pour avoir accepté de m accueillir au sein du laboratoire. Je remercie le service informatique du LPMCN, pour leur assistance en cas de problème, et leur efficacité à les résoudre dans les plus brefs délais. Enfin je remercie toute personne ayant participé à ce projet, ainsi que l équipe enseignante du master de physique de l université Claude Bernard de Lyon pour l enseignement de qualité qu ils m ont apporté et qui m a permis d attaquer ce stage dans les meilleures conditions. 2
Résumé : Ce rapport tente de présenter les deux grandes théories, la fonctionnelle de la densité et les pseudo-potentiels, sur lesquelles reposent les calculs théoriques actuels en physique de la matière condensée, tout en s intéressant à une nouvelle fonctionnelle récemment mise au point par messieurs Tran et Blaha. Le but étant de générer des pseudo-potentiels atomiques et d observer les changements apportés par cette fonctionnelle par rapport aux fonctionnelles déjà existantes. Cette présentation passe aussi par une analyse des programmes de simulations utilisés par le groupe «théorie et modélisation» du LPMCN, et de certaines fonctionnalités qu ils permettent. Le tout étant d obtenir des structures de bandes pour différents matériaux semi-conducteurs comme le carbone, le silicium, le germanium, le carbure de silicium et le fluorure de lithium. Abstract : This report aim at presenting two important theoretical approaches, density functional theory and the pseudo-potentials, on which are based many calculations in condensed matter physics. In particular, we considered the new functional recently created by Tran and Blaha. The main goal of this project was to generate atomic pseudo potentials and to observe the modification brought by the new functional by Tran and Blaha, in comparison to the standard functionals that existed before. In this presentation we also analyze the scientific softwares used in the theory and modelisation group at the LPMCN, and some of the functionalities that they permit. Finally, we discuss the results that we obtained for the band structure of different semi-conductors, like carbon, silicon, germanium, silicon carbide and lithium fluoride. 3
Sommaire : Introduction..P6 I) Calculs des propriétés électroniques des solides, pseudo-potentiel et théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT)....P7 Introduction : Un problème a N-corps...P7 A) Les pseudo-potentiels...p8 1) Qu est-ce qu un pseudo-potentiel?...p8 2) Pseudo-potentiels moderne : pseudo-potentiels ab-initio P9 3) Générer un pseudo-potentiel P9 B) La théorie de la fonctionnelle de la densité.. P10 1) Mathématiques : la fonctionnelles et ses propriétés.....p10 2) La DFT....P11 3) Potentiels d échange et corrélation....p14 C) Fonctionnelle de Tran et Blaha P16 1) De Becke et Johnson à Tran et Blaha, description mathématique de la fonctionnelle. P16 2) Une Becke et Johnson modifiée : le paramètre «c»...p17 II) Les programmes de simulation utilisés.p18 A) APE : génération de pseudo potentiel atomique..p18 1) Mode de fonctionnement : résolution de l'équation de Kohn-Sham.P18 2) Interface, fabriquer un pseudo-potentiel.p19 B) Abinit : implémentation de la DFT avec une base d ondes planes P21 1) Mode de fonctionnement, Interface...P21 2) Type de simulations effectuées : calcul de la structure de bande..p21 3) Effectuer une simulation...p23 III) Simulations, résultats, exploitation..p24 A) Objectifs, simulations et résultats.p24 1) Objectifs P24 2) C, Si, Ge..P25 3) SiC, LiF.P26 B) Structure de bande obtenues, exploitation P27 1) Structure de bande de C, Si, LiF, SiC, comparaison avec le calcul LDA. P27 2) Différence avec les résultats expérimentaux.p29 Conclusion..P31 Annexe 1 : exemple d un fichier d entrée du programme Abinit...P32 Annexe 2 : Structure de bande du carbone, silicium, germanium, carbure de silicium et fluorure de lithium par calcul Tran et Blaha, comparaison avec les bandes LDA..P34 Bibliographie.P37 4
Introduction : La physique du solide a connu dans les cinquante dernières années un essor impressionnant de par la mise au point de nouvelles techniques de calcul, plus rapides, plus précises, permettant d obtenir avec une grande rapidité les propriétés de nombreux solides. Ceci a permis la création d un grand nombre de matériaux utilisés actuellement dans l industrie, dans les nouvelles technologies, mais aussi de mieux comprendre l organisation de la matière au sein de structures formées d atomes ordonnés, à l échelle atomique. Ces nouvelles méthodes de calculs, par traitement informatique, reposent sur deux théories, fortement liées : la théorie de la fonctionnelle de la densité d une part, et la génération de pseudopotentiel atomique d autre part. Lors de ce stage nous nous sommes attachés à générer des pseudopotentiels pour une toute nouvelle fonctionnelle développée récemment par messieurs Tran et Blaha de l «Institute of Materials Chemistry» de l université de Vienne en Autriche. Cette fonctionnelle ayant des propriétés intéressantes quant à l amélioration des méthodes de calculs en physique du solide. Pour ce faire nous avons utilisé deux programmes de simulations, APE pour générer les pseudo-potentiels, et Abinit pour calculer les propriétés physiques des solides, ici des semiconducteurs. Nous avons pu à travers ces simulations obtenir les structures de bandes électroniques de ces différents matériaux et vérifier certaines propriétés que l on prête à cette fonctionnelle. Nous avons choisi de présenter en premier lieu les deux théories fondamentales dans ce domaine, les pseudo-potentiels et la théorie de la fonctionnelle de la densité, pour permettre au lecteur d appréhender au mieux les concepts utilisés lors de ce stage. Par la suite nous avons choisi d exposer les programmes utilisés lors de nos simulations et qui reposent sur ces théories, ainsi que, de manière succincte, la fonctionnelle de Tran et Blaha, l objet de notre étude. Enfin, dans une troisième partie nous avons présenté les résultats obtenus et tenté une interprétation de ceux-ci. Dans l espoir que le lecteur trouvera une certaine satisfaction dans le travail présenté dans ce rapport, nous vous souhaitons une agréable lecture. 5
I) Calculs des propriétés électroniques des solides : pseudo-potentiels et théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) Introduction : un problème à N-corps La résolution et l obtention des propriétés électroniques des solides passent par le traitement d un problème à N-corps. En effet, un solide est composé de N n noyaux autour desquels gravitent N e électrons. Toutes ces particules interagissent entre elles, forment des liaisons, participent à des réactions chimiques tout ceci à une échelle de l ordre de l angström. Un solide est donc un système quantique comportant N (=N n +N e (~10 23 )) particules en interactions. Ces particules vérifient l équation de Schrödinger : (* + * +) (* + * +) Avec {R} l ensemble des vecteurs positions des N n noyaux, {r} l ensemble des vecteurs positions des N e électrons, E l énergie du système, H l hamiltonien à N-corps, développé ci-dessous : (* +) (* +) (* +) (* +) (* + * +) T n est l énergie cinétique des noyaux, V nn le potentiel d interaction nucléaire, T e l énergie cinétique des électrons, V ee le potentiel d interaction électrons-électrons, U en le potentiel d interaction noyauxélectrons, dont les formules sont développées ici (en unité atomiques et sans indiquer explicitement les variables de spin) : On peut simplifier grandement cet hamiltonien en se plaçant dans l approximation de Born- Oppenheimer. On considère alors les noyaux fixes, c est-à-dire R=cste, avec les électrons qui gravitent autour. En effet, un noyau étant à peu près mille fois plus lourd qu un électron, les échelles d énergies des mouvements des électrons et des noyaux sont bien séparées. Sur l échelle de temps des électrons, on peut facilement imaginer que les noyaux sont fixes. Ceci a de nombreuses conséquences sur les équations, notamment T n devient nul (dérivée seconde de la position), V nn devient constant (ne dépend que de la position des noyaux), et U en devient une fonction de r j uniquement. = cste ( ) L hamiltonien se transforme donc de la manière suivante : 6
(* +) (* +) (* +) On n a plus qu une dépendance en r, ce qui réduit le nombre d équations à résoudre de 3N n (3 variables d espace par noyaux N n noyaux 2 si éventuellement on considère le spin), ainsi que la complexité du système. Il nous reste tout de même 3N e variables pour les électrons, ce qui ne manque pas d alourdir les calculs. A) Les pseudo-potentiels 1) Qu est-ce qu un pseudo-potentiel? Comme nous l avons dit précédemment, le but est de réduire au maximum le nombre de variables à prendre en compte lors de la résolution du problème. Nous avons déjà retiré avec l approximation de Born-Oppenheimer toutes les variables liées aux noyaux des atomes. Il reste encore à traiter le nombre important d électrons. Une façon possible de simplifier le problème, en particulier quand on veut utiliser une base d ondes planes, ce qui permet d exploiter au mieux la symétrie translationnelle du cristal, est alors de considérer deux groupes d électrons : les électrons de cœur, chimiquement inertes, et les électrons de valence, qui sont eux les acteurs principaux des réactions chimiques. De cette séparation, on établit le modèle suivant : les électrons de cœur et le noyau forment un potentiel effectif agissant sur les électrons de valence : le pseudo-potentiel. Il comprend toutes les interactions existantes entre le noyau et les électrons de valence, ainsi qu entre les électrons de cœur et les électrons de valence. Cette approximation permet de réduire grandement le nombre d équations à résoudre, étant donné qu on «réduit» le nombre d électrons dans notre système. Cela permet aussi (et surtout) de s affranchir des résultats les plus localisés, qui nécessitent le plus grand nombre d ondes planes. Cette solution a été pour la première fois imaginée par Fermi en 1934, et Hellmann proposa en 1935 un pseudo-potentiel pour le potassium de la forme : [8] [10] ( ) Malgré tout, les pseudo-potentiels ne seront réellement utilisés qu à partir des années 50, suite aux travaux de Phillips et Kleinmann. Pour mieux comprendre comment sont faits les pseudo-potentiels, étudions le pseudo-potentiel de Phillips et Kleinmann [7][8]. Il fait partie de la classe des pseudo-potentiels empiriques. Si on appelle ψ c > et ψ v > les fonctions d ondes des électrons de cœur et de valence, on peut alors écrire l équation de Schrödinger sous la forme : avec n=c,v ψ v> peut s écrire sous la forme d une pseudo-fonction d onde linéaire φ v >, et d une fonction sinusoïdale résultante de la projection orthogonale des orbitales de valence sur celles de cœur : 7
avec φ v> satisfait aussi une équation de Schrödinger : ( ) soit : ( ) ( ) (PK=Phillips and Kleimann) H PK est le pseudo-hamiltonien de l équation de Schrödinger satisfaite par φ v>. On peut ensuite identifier un pseudo-potentiel de la forme : ( ) ( ) v est le potentiel réel du système réel. ω PK dépend des énergies propres des états électroniques du système total. Il est intéressant de noter que, à une certaine distance du cœur, on a ω PK ~v. Proche du cœur, par contre, la projection des orbitales de valence sur celles oscillantes des électrons de cœur force les électrons de valence à avoir une grande énergie cinétique. Le 2 e terme de ω PK n est donc dans ce cas pas négligeable. Dans ce modèle les électrons de valence sont soumis à un potentiel effectif résultant de : La projection du potentiel nucléaire sur les électrons de cœur. La répulsion due au principe d exclusion de Pauli, qui impose que deux électrons ne peuvent se retrouver dans le même état quantique. L effet d échange et de corrélation entre les électrons de valence et les électrons de cœur, dont nous parlerons par la suite, dans la partie sur la DFT. Il est nécessaire de noter que le 2 e terme de ω PK, est un potentiel répulsif, impliquant que le pseudo-potentiel est inférieur au vrai potentiel v au voisinage du cœur. Outre la simplification des calculs, ce modèle donne une bonne description de la structure électronique des solides. 2) Pseudo-potentiels modernes : les pseudo-potentiels ab-initio Aujourd hui les physiciens utilisent ce qu on appelle les pseudo-potentiels ab-initio. Le terme ab-initio en calcul physique signifie «à partir des principes premiers», c est-à-dire sans paramètres ajustés sur l expérience. Les pseudos-potentiel ab-initio à conservation de norme (ceux que nous avons utilisés par la suite) sont des pseudo-potentiels que l on a ajustés en gardant la densité de charge des électrons de cœur. Pour les électrons de valence, à partir d un certain r l (rayon de coupure), la pseudo-fonction d onde doit coïncider avec la vraie fonction d onde de valence De plus la norme de la pseudo-fonction d onde doit aussi être la même que celle de la fonction d onde du système total. Tout cela se traduit par : [8] [10] ( ) ( ) si r>r l 8
( ) ( ) si r <r l avec R l la partie radiale de la fonction d onde. Enfin, la pseudo-fonction d onde ne doit pas s annuler, et les valeurs propres doivent être les mêmes que la fonction d onde réelle c est pourquoi r l se situe au niveau du premier maximum après le dernier nœud de la fonction d onde du système réel. Ces conditions ne sont pas suffisantes pour déterminer de façon unique un pseudo-potentiel: il y a en effet beaucoup de «recettes» différentes pour obtenir des pseudo-potentiels à conservation de norme. Un exemple de pseudo-potentiel ab-initio à conservation de norme est celui de Troulliers Martins[6] [8] [9], utilisé par le programme de génération de pseudo-potentiel atomique APE, programme dont nous parlerons dans la partie II, paragraphe 1. Dans ce cas, la pseudo-fonction d onde est définie de la manière suivante : ( ) { ( ) ( ) avec ( ) Les coefficients de p(r) sont imposés par la conservation de la norme, la continuité de la pseudofonction d onde et de ses quatre premières dérivées à r=r l. Cela implique : ( ) L intérêt de ce pseudo-potentiel réside dans le fait qu il donne des pseudo-fonctions d onde lisses, non sujettes à de nombreuses cassures (de part notamment la condition précédente). Ceci n est pas sans importance quant à la qualité du pseudo-potentiel, surtout quant à sa transférabilité, propriété indispensable, et à son «efficacité» (combien d ondes planes sont nécessaires pour décrire les pseudo-fonctions d ondes). 3) Générer un pseudo-potentiel Voyons à présent comment générer un pseudo-potentiel, notamment quelles règles on doit respecter, ainsi que la démarche à suivre. Il est important de savoir qu un pseudo-potentiel n est pas unique, et qu il existe plusieurs moyens d en obtenir. Mais toutes ces méthodes doivent respecter des règles et répondre à des exigences. La «transférabilité» d un pseudo-potentiel est un élément essentiel à prendre en compte lors de sa génération. Un pseudo-potentiel doit pouvoir être utilisé dans différents environnements, tout en donnant la meilleure approximation possible du système modélisé. La transférabilité d un pseudo-potentiel est très influencée par le choix de r l. Plus r l sera «petit», c est-à-dire proche du premier maximum après le dernier zéro de la fonction d onde réelle, plus la capacité de transférabilité du pseudo-potentiel sera assuré. Cela dit, choisir un rayon de coupure trop petit signifie normalement une plus grande dimension de la base d'ondes planes pour le développement des fonctions d'ondes électroniques. Il faut donc choisir ce paramètre en considérant d un côté 9
l efficacité des calculs et la transférabilité du pseudo-potentiel. Au-delà de ces critères, il faut aussi respecter les règles suivantes [8]: Les valeurs propres des pseudo-électrons doivent être les mêmes que celles obtenues pour le système réel. Les pseudo-fonctions d onde doivent coïncider avec les fonctions d onde du système avec tous les électrons en dehors du «cœur» (on a continuité entre le cœur et les pseudo-fonctions d onde). La charge de cœur produite par les pseudo-fonctions d onde doit être la même que celle produite par les fonctions d onde atomiques (dans le cas des pseudo-potentiels conservant la norme). Les dérivées logarithmiques et les premières dérivées par rapport à l énergie doivent coïncider après le rayon de coupure. Ces règles sont les règles de bases et sont communes à plusieurs recettes pour la géneration d un pseudo-potentiel. Chaque méthode par la suite se donne ses propres règles pour obtenir les meilleurs résultats possibles. Les pseudo-potentiels sont un élément essentiel dans les calculs en physique du solide, de par la grande simplification qu ils apportent, leur transférabilité, et les bons résultats qu ils donnent. Un pseudo-potentiel bien trouvé pouvant être utilisé dans de nombreux systèmes. Sans pseudopotentiel, on ne peut pas utiliser une base d ondes plane, base essentielle à la rapidité des calculs. De plus, les pseudo-potentiels apportent un modèle simple des interactions entre l ion formé par le noyau et les électrons de cœur, inertes chimiquement, et les électrons de valence, qui eux participent activement aux réactions chimiques. Répondant à des règles pendant leur génération, il n en reste pas moins qu il n y a pas de méthode toute faite pour trouver un pseudo-potentiel, comme nous le verrons dans la partie consacrée au programme APE (partie II, A). Les pseudo-potentiels représentent une partie non négligeable des méthodes de calculs en physique du solide, et ils sont à mettre en relation avec la théorie de la fonctionnelle de la densité, théorie développée depuis une cinquantaine d année et ayant jusqu à présent donné d excellents résultats par rapport à des méthodes comme Hartree-Fock. B) La théorie de la fonctionnelle de la densité 1) Propriétés des fonctionnelles en mathématiques Une fonctionnelle est ce qu'on peut appeler une fonction de fonction. Elle associe à une fonction un nombre. Par exemple, l'aire est une fonctionnelle de la position. On trouve généralement les fonctionnelles sous la forme : ( ) ( ( )) 10
On peut réaliser de nombreuses opérations sur les fonctionnelles. Notamment, on peut les dériver, tout comme les fonctions, par la formule suivante : ( ) ( ) ( ) ( ) c est-à-dire, une petite variation fait varier la fonctionnelle d une petite fonction. Par la suite, dans les calculs, on cherche à minimiser les fonctionnelles soumises à une contrainte extérieure. Ceci est possible grâce à la méthode des multiplets de Lagrange. Soit A(r) une fonctionnelle. On construit une nouvelle fonctionnelle B(r) telle que : ( ) ( ) ( ) avec P(r) la contrainte à laquelle est soumis notre système. On calcul alors : ( ), c est-à-dire ( ) ( ) et on en déduit µ. On obtient alors B(r), la fonctionnelle minimisé de notre système. 2) La DFT Un prédécesseur de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est la théorie élaborée à partir de 1927 par Llewellyn Thomas et Enrico Fermi. Les premiers résultats de cette théorie (à travers la fonctionnelle de Thomas-Fermi), n étaient pas très bon, et avaient du mal à rendre compte de phénomènes tels que les liaisons chimique. En effet, la fonctionnelle de Thomas-Fermi reposant sur une approximation de l énergie cinétique, cela fausse les résultats et la rend moins intéressante que la méthode de calcul Hatree-Fock, par exemple [8] [9]. Par la suite, avec la formalisation rigoureuse de la théorie et la proposition d'une excellente approximation pour la fonctionnelle de l'énergie, grâce à l approche de Kohn-Sham[3], la DFT connaîtra, et connait encore, depuis le début des années 60, un franc succès dans les calculs de structure électronique des atomes, pris dans leurs états fondamentaux. Sa version la plus simple, à savoir la LDA (Approximation Locale de la Densité) donnant des résultats souvent aussi bons que ceux des méthodes du type Hartree-Fock, pour des temps de calcul moindre [8] [9]. Pour se convaincre qu il est nécessaire de trouver une solution au trop grand nombre d électrons pris en compte dans la résolution de l équation de Schrödinger, prenons l exemple de l oxygène et plus particulièrement de la quantité de DVD nécessaires au stockage de sa fonction d onde : (r 1,...,r 8 ) dépend de 24 coordonnées. 10 entrées par coordonnées 10 24 entrées 1byte par entrée 10 24 bytes 11
5 10 9 bytes par DVD 2 10 14 DVDs soit pour des DVDs de 10 g 10 9 t de DVDs. A moins d avoir un peu de temps devant soit, et un grand nombre de DVD dont on voudrait se séparer, stocker directement la fonction d onde d un atome comme l oxygène semble difficile. La DFT est une manière de décrire la matière dans son état fondamental non plus en passant par les fonctions d onde des N e électrons mais en considérant la densité électronique de ceux-ci. Cela permet de passer entre autre d un système a 3N e coordonnées (on rappelle que l on se place dans l approximation de Born-Oppenheimer) à un système régit par les 3 coordonnées de la densité électronique (sans considérer de façon explicite le spin). [8] [9] L énergie et la densité électronique sont obtenus par minimisation d une fonctionnelle, par la méthode des multiplicateurs de Lagrange vue précédemment. Voyons le cas d un système à un électron, pris dans son état fondamental, à titre d exemple [3]. La fonctionnelle de la densité pour ce système s écrit :, - ( ) ( ) avec la contrainte ( ) On utilise alors les multiplets de Lagrange pour minimiser la fonctionnelle :, -, - ( ) ( ) ( ) avec (T VW est l énergie cinétique de Von Weiszacker, qui est une approximation de l énergie cinétique ici. Par la suite, en utilisant le système de Kohn-Sham[3], on prendra l énergie cinétique exacte d'un système fictif d'électrons sans interaction, car l'erreur du à l'approximation de l'énergie cinétique est la majeure source des mauvais résultats obtenus par Thomas-Fermi, ou plus en général chaque fois qu'on essaie d'approximer directement la fonctionnelle de l'énergie sans passer par e système de Kohn-Sham.) [3] Or on a : On obtient alors l équation de Schrödinger pour la densité : ( ( )) ( ) ( ) avec ( ) ( ) On identifie alors µ à l énergie E. On a alors une équation décrivant notre système, nous donnant les énergies propres de celui-ci, et passant par la densité électronique plutôt que par les fonctions d onde. La densité est la variable clé en DFT. Elle donne accès à toutes les grandeurs physiques du système. En effet, il est important de noter que toutes les observables d un système quantique se 12
trouvent totalement déterminées par celle-ci. Le système peut donc être décrit sans problème par la densité. C est l objet des théorèmes d Hohenberg-Kohn. [2] [8][9] Si on considère que le potentiel externe définit les propriétés du système, on a le schéma suivant : du potentiel externe appliqué à une particule dans son état fondamental, on obtient les fonctions d onde du système par application d un opérateur A, ce qui nous amène à la densité par application d un second opérateur Ã. Cela dit, l équation de Schrödinger étant réversible, on peut passer des fonctions d onde au potentiel. En utilisant le principe variationnel de l énergie du système (Rayleigh- Ritz), et par une démonstration par l absurde, on peut montrer que à est réversible lui aussi. Il existe donc un moyen de passer de la densité au potentiel, et de ce fait, le potentiel externe est totalement défini par la densité, donc notre système aussi. G A Vext Ψ n à Les théorèmes d Hohenberg-Kohn nous disent que A et à sont réversibles, donc G est réversible. On peut donc passer de n à V ext par application de l opérateur G. Le premier théorème peut donc être énoncé ainsi : le potentiel extérieur est uniquement une fonctionnelle de la densité. Comme V ext détermine l hamiltonien du système, la densité est la seule fonction nécessaire pour définir l état fondamental du système. [2][8] [9] Le deuxième théorème, qui provient directement du premier théorème en appliquant le principe variationnel est : la fonctionnelle de l énergie admet un minimum E 0, l énergie de l état fondamental, pour la densité n 0. [2][8] On peut ajouter à cela que de par sa définition mathématique, une fonctionnelle est universelle : elle peut être utilisée quel que soit le système considéré. Une fonctionnelle vérifie aussi toujours l équation d Euler-Lagrange : ( ) ( ) La DFT actuelle repose sur une caractérisation mathématique particulière du système étudié : le système Kohn-Sham. [3] [8][9] On a vu que les problèmes de la DFT, à travers Thomas- Fermi, provenaient de l approximation faite sur l énergie cinétique (qui est une grande fraction de l'énergie totale). Dans le système Kohn-Sham, on s affranchit de ce problème en prenant en compte l énergie cinétique exacte exacte d'un système d'électrons sans interaction, qui est une bonne approximation de l'énergie cinétique du système réel. En effet, on représente nos atomes par le biais d un système fictif d électrons sans interactions entre eux, mais ayant la même densité électronique que le système physique réel considéré. On obtient alors l énergie cinétique de non- 13
interaction, qui comprend la vraie énergie cinétique. La résolution du problème passe alors par la résolution mathématiques de l équation de Kohn-Sham : [3] { ( )} ( ) ( ) avec ( ) ( ) ( ) est appelé «orbital de Kohn-Sham» et est une fonction qui donne ( ) et qui minimise l hamiltonien de Kohn-Sham. L équation d Euler-Lagrange pour le système Kohn-Sham est :, - ( ) ( ), -, l énergie cinétique exacte, un déterminant de Slater. On définit alors :, -, -, -, - avec, - ( ) le potentiel Hartree-Fock, - vérifie aussi l équation d Euler-Lagrange, ce qui nous donne ( ) le potentiel Kohn-Sham :, - ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), -( ), -( ), - ( ) On obtient alors le potentiel ( ) du système d électrons sans interactions. De là, on peut donc obtenir la densité électronique du système réel et résoudre notre problème. L équation de Kohn-Sham est exacte, [2] [3] et donne la densité exacte, on ne fait pas d approximation à ce niveau-là. La seule approximation effectuée se situe sur l énergie d échangecorrélation, dont nous allons parler dans la partie suivante, où nous allons voir ce qu est cette énergie et comment la calculer. 3) Potentiels d échange et corrélation L énergie d échange-corrélation est très souvent écrite comme la somme de deux termes que l on peut traiter séparément : et. [8] [9] Commençons par. Cette énergie correspond à un effet quantique qui augmente ou diminue l énergie d un ou plusieurs électrons lorsque leurs fonctions d onde se superposent. C est une conséquence du principe d exclusion de Pauli. [8] [9], -, - avec le potentiel d interaction électron-électron. est une intégrale de Fock : 14
,* +- ( ) ( ) ( ) On peut facilement calculer dans la plupart des cas. L énergie de corrélation est plus compliquée. Cela correspond en fait à l erreur faite par Hartree-Fock. [3] On peut l écrire de la manière suivante :, -, -, -, -, -, - donne et minimise < > donne et minimise < > On note que est positive ou nulle. On a le cas, - pour un seul électron dans le système. Alors dans ce cas, s annule avec, - : [8], - Du fait de la complexité du calcul pour obtenir dans des cas autres qu un système à un électron, on va chercher à approximer l énergie d échange-corrélation. La première approximation de qui a remporté un franc succès est l approximation locale de la densité (LDA)[3]. Elle se base sur un problème que l on sait bien résoudre : le gaz homogène d électron. Le souci est que notre système n est pas homogène globalement. Cela dit, on va faire l approximation que sur de petits volumes, on a bien homogénéité. On intègre ensuite les énergies d échange-corrélation de tous ces volumes sur le volume total, et on obtient alors une approximation de totale. [8] [9] Cela se traduit mathématiquement par : ( ) ( ( )) avec l énergie d échange corrélation du gaz homogène d électrons qui a été calculée numériquement par des méthodes Monte-Carlo: [8] [9] ( ) avec. /. / Pour l énergie de corrélation, on a : varie en ( ) pour avec ( ) le rayon de Wigner-Seitz varie en pour L approximation locale de la densité donne des résultats équivalents à un calcul Hartree-Fock, pour un temps de calcul beaucoup moins grand. C est l un des grand succès de la DFT de ces vingt dernières années. 15
Notre système n étant pas homogène, la LDA a tout de même des limites importantes, c est une approximation locale. On va donc essayer de trouver un moyen d avoir une approximation semilocale à la densité : on va introduire un gradient de densité. [4][8] [9] L énergie d échange-corrélation s écrit donc sous la forme suivante : ( ) ( ( ) ( ) ) Les premiers essais en la matière ont donné lieu au GEA (Gradient Expansion Approximation). Mais c est un échec : cela donne de très mauvais résultats. La raison est que la LDA s appuyait sur un contenu physique. Le GEA non. Le GGA (Generalized Gradient Approximation) est issu de ces conclusions. On fait un GEA répondant à des critères physiques.[4] [8] [9] Par la suite de nombreuses fonctionnelles ont été créées, répondant plus ou moins bien aux exigences des chercheurs. Il est important de noter qu une fonctionnelle est purement mathématique. Pour créer une fonctionnelle, on prend en compte les conditions régissant notre système, ses limites, et on essaie de trouver un moyen de calculer qui fonctionne bien. Les recherches sur les fonctionnelles se tournent, après avoir utilisé la densité, le gradient de la densité, le courant (en TDDFT : DFT dépendante du temps), vers la densité d énergie cinétique, avec les fonctionnelles de type méta-gga. C est l une d entre elle que nous utiliserons par la suite dans nos programmes : la fonctionnelle de Tran and Blaha. C) La fonctionnelle de Tran et Blaha Cette partie a pour but de présenter de manière succincte et en se basant sur l article de Tran et Blaha publié le 3 Juin 2009 dans Physical Review Letters [1]la nouvelle fonctionnelle mise au point par messieurs Tran et Blaha. fonctionnelle 1) De Becke et Johnson à Tran et Blaha, description mathématique de la La fonctionnelle de Tran et Blaha [1] notée (MBJ) est une version modifiée de la fonctionnelle de Becke et Johnson. Cette dernière a prouvé rapidement son efficacité par rapport aux modes de calculs le plus souvent utilisés tel que LDA [3] ou PBE (la version du GGA pour les solides)[4]. Messieurs Tran et Blaha proposent dans leur article une version modifiée de la fonctionnelle de Becke et Johnson [5], sous la forme : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) avec : ( ) la densité électronique. ( ) la densité d énergie cinétique (Tran et Blaha fait 16
partie des méta-gga) ( ) le potentiel de Becke-Roussel Le potentiel de Becke-Roussel proposé ici est à peu près équivalent au potentiel de Slater utilisé dans Becke et Johnson [5]. Pour les atomes ils sont quasiment identiques. [1] 2) Une Becke et Johnson modifiée : le paramètre «c» La modification principale se trouve au niveau de l apparition du paramètre dans la formule de la fonctionnelle. Notons que si on prend on retombe sur la fonctionnelle de Becke et Johnson [5]. Ce paramètre a été choisi pour dépendre linéairement de la racine carrée de la moyenne de ( ) ( ). La forme proposée pour est la suivante : ( ( ) et sont deux paramètres libres, le volume de la cellule unitaire du système. Dans l article, la minimisation de l erreur sur les gaps donne : ( ) ) sans unités bohr 1/2 Nous allons à présent nous intéresser à l influence de la variation de sur les gaps électroniques. Pour on retrouve Becke et Johnson, donnant un meilleur gap que LDA, mais toujours moins bon que le gap expérimental. Pour c>1, les gaps augmentent de manière monotone avec, si bien qu on obtient de meilleur gap que pour Becke et Johnson [1][5]. Il faut trouver des valeurs de de fonctionnement optimales. Pour les solides avec de petits gaps (Ge par exemple), cette valeur est comprise entre 1.1 et 1.3 (sans unités). [1] Pour les solides avec de grand gaps (LiF par exemple), cette valeur est comprise entre 1.4 et 1.7(sans unités). [1] Ainsi après avoir présenté les éléments théoriques nécessaires à la compréhension des calculs en physique du solide, nous allons vous présenter les programmes utilisés pour effectuer nos simulations, leurs capacités, ainsi que leur fonctionnement. 17
II) Les programmes de simulation utilisés Aujourd hui, la recherche fondamentale ne peut plus se passer des outils informatiques pour résoudre ses problèmes. En physique du solide, devant la complexité des systèmes à résoudre, les programmes de simulation sont devenus des outils indispensables, qui permettent de calculer rapidement les propriétés physiques dont nous avons besoin, et de prévoir les réactions des systèmes étudiés. Cela a apporté ces dernières années une accélération importante de la recherche en la matière, de la compréhension de la physique du solide et de l élaboration de nouveaux matériaux aux propriétés intéressantes pour l industrie, l informatique Les travaux de thèses effectués dans les années 60 par exemple se résolvent actuellement en quelques jours par simulation informatique, ce qui permet de tester de nombreuses combinaisons, hypothèses, dans un temps très court. Tout au long de cette partie, nous allons présenter les programmes utilisés au cours de ce stage dans l ordre dans lequel nous les utilisons au cours d une simulation, à savoir, nous allons tout d abord présenter APE, le programme de génération de pseudo-potentiel atomique, puis Abinit le programme qui calcule les propriétés électroniques des solides. Ces deux programmes utilisent la théorie présentée dans la partie I. Enfin, nous parlerons un peu de la fonctionnelle de Tran et Blaha, l objet de ce stage. A) APE : génération de pseudo potentiel atomique Système avec tous les électrons Equation de Kohn-Sham avec critère de convergence. v AE KS,n AE - Conservation de la norme => pseudofonction d onde Equation de Kohn-Sham avec critère de convergence. Pseudo-potentiel 1) Mode de fonctionnement : résolution de l équation de Kohn-Sham APE est un programme de génération de pseudo-potentiels atomiques, développé par Micael Oliveira et Fernando Nogeira (université de Coimbra, Portugal). Ces pseudopotentiels sont utilisés par la suite dans des calculs en physique du solide. Le principe du calcul est simple : on génère un pseudo-potentiel, pour un atome, puis, du fait de la transférabilité des pseudo-potentiels, on met en relation un grand nombre d atomes dans un réseau (une maille cristalline par exemple), chacun ayant son pseudo-potentiel. Il ne reste plus qu à calculer les propriétés de la maille. Le mode de fonctionnement d APE repose sur la résolution de l équation de Kohn-Sham [3] pour un atome isolé, et par une méthode d auto-cohérence [8]. On résout l équation de Kohn-Sham radiale pour l atome en prenant en compte tous les électrons, dans une configuration électronique de référence que l on a choisie au préalable. Dans la plupart des cas on fait l approximation d un système sphérique, et on néglige les effets relativistes. On obtient alors, -, le potentiel Kohn-Sham pour le système avec tous les électrons (AE=All Electrons). On utilise alors la conservation de la norme, en définissant correctement les conditions de la zone ( le rayon de coupure, dont nous avons parlé dans la partie précédente). On obtient alors la pseudo-fonction d onde. Enfin on réinjecte la pseudo-fonction d onde dans l équation de Kohn-Sham pour trouver le pseudopotentiel, qui sera alors le potentiel Kohn-Sham de la pseudo-fonction d onde, auquel on ajoute le 18
Ci-contre : schéma de génération d un pseudo-potentiel. potentiel d Hartree, et le terme d échange corrélation. Il faut retirer ces deux termes pour obtenir le pseudo potentiel. Numériquement, on ajoute un critère de convergence à cette suite de calculs sur les résolutions des équations de Kohn Sham : la différence d énergie entre deux états doit être inférieure à une certaine valeur. [8] On obtient ainsi un pseudo-potentiel atomique, que l on peut utiliser dans de nombreux systèmes pour en calculer les propriétés. résultats. 2) L utilisation du programme : interface, fabrication de pseudo-potentiel, APE s utilise par le biais du terminal Linux. Il comprend deux fichiers d entrée, «Atome.ae» et «Atome.tm», sous forme de fichiers texte, dans lesquels on peut modifier tous les paramètres nécessaires à la génération de pseudo-potentiel. «Atome.ae» est l entrée destinée à la génération du potentiel Kohn-Sham [3] pour le système total. Il contient les informations sur l atome considéré (numéro atomique, orbitales) ainsi que la fonctionnelle utilisée pour résoudre l équation de Kohn- Sham. «Atome.tm» est le fichier d entrée où l on a tous les paramètres de génération du pseudopotentiel (rayon de coupure, orbitales de valences considérées, ). Les deux fichiers contiennent le paramètre de convergence du calcul par auto-cohérence. Nous vous présentons ici des captures d écran où figurent les différentes composantes de ce programme lors d un calcul sur le carbone : Sortie du programme après avoir appliqué les commandes «ape<c.ae» (à gauche) et «ape<c.tm» (à droite) : Fichier d entrée de C.ae : Mode de calcul réglé sur ae (all electrons) Nombre de charge Configuration électronique et nombre d électron sur les orbitales Calcul pour un système non polarisé Fonctionnelle utilisée 19 Condition de convergence en densité et en énergie
Fichier d entrée de C.tm : Mode de calcul réglé sur pp (pseudo-potentiel) Type de schéma de génération de pseudopotentiel, ici Troulliers- Martins Orbitales de valences considérées (ici 2s et 2p) Programme pour lequel est préparé le pseudo-potentiel, ici abinit6 Rayon de coupure des orbitales 2s et 2p Fonction d onde locale Condition de convergence en énergie On exécute le programme pour chacune des entrées, à savoir on tape la commande dans le terminal «ape<atome.ae» pour calculer le potentiel de Kohn-Sham du système total, puis «ape<atome.tm» pour calculer le pseudo-potentiel. En sortie on obtient de nombreuses informations. Tout d abord commençons avec l exécution de l entrée «Atome.ae». On obtient les différentes fonctions d onde du système total ainsi que la position des maximums de celles-ci. Ces données sont très importantes pour paramétrer les rayons de coupure des différentes pseudo-fonctions d onde du pseudo-potentiel, paramètres que l on règle dans le fichier «Atome.tm». En sortie de l entrée «Atome.tm», on obtient tout d abord le pseudo-potentiel (dont la génération ou l échec de génération nous est donnée via le terminal), sous un nom du type «Z-Atome.fhi», avec Z le nombre de charge de l atome. On obtient aussi les pseudo-fonctions d onde, et un élément très important : la présence ou non de «ghost-state» dans les pseudo-fonctions d onde. Les «ghoststate» sont des états qui n existent pas en réalité, mais qu un mauvais paramétrage fait apparaître dans les états propres des pseudo-fonctions d onde, et qui n apparaissent pas dans les états propres des fonctions d onde réelles. En cas de «ghost-state» le pseudo-potentiel trouvé est nécessairement faux. De nombreuses autres informations sont disponibles, telle que la densité d énergie cinétique en cas d utilisation d une fonctionnelle de type Méta-GGA, la densité électronique,... mais les plus utiles pour la bonne marche des simulations restant celles explicitées plus haut. Notons que le temps de calcul de APE, lors des diverses simulations que nous avons menées, était inférieur à une minute, ce qui permet de tester de nombreux rayons de coupure, jusqu à trouver le pseudo-potentiel qui convient. En effet, la génération de pseudo-potentiels, à ce niveau-là, n obéit pas à un protocole strict, outre les règles énoncées dans la partie I. Dans le cas des simulations propres à ce rapport, nous avions à effectuer un calcul de pseudo-potentiel assez délicat. En effet notre but était de trouver les bons paramètres pour obtenir une structure de bande «all electron», structure qui dépend très finement de ces paramètres. Tout cela pour reproduire les gaps référencés dans l article de Tran et Blaha. *1+ Il faut donc tester de nombreuses combinaisons jusqu à obtenir le 20
bon pseudo-potentiel, chose que l on peut vérifier par la suite en effectuant une simulation avec le programme Abinit, et en regardant si on trouve les mêmes valeurs de gap électronique que dans la littérature. Normalement, pour un calcul LDA par exemple, la génération du pseudo-potentiel a pour objectif principal de réduire le nombre d onde planes le plus possible, tout en conservant une bonne transférabilité, et n est pas ajusté en fonction du gap voulu, comme cela est le cas ici. B) Abinit : implémentation de la DFT avec une base d ondes planes 1) Mode de fonctionnement, interface Abinit est un programme développé par l Université Catholique de Louvain, en Belgique. C est un programme de simulation très utilisé en physique du solide puisqu il permet de simuler des mailles d atomes, et de prévoir les effets de perturbations sur celles-ci (comme lorsqu on éloigne progressivement deux atomes). Il est aussi très utilisé (et c est dans ce sens que nous l avons utilisé) pour obtenir les structures de bande d une maille (dans notre cas, nous avions des mailles cristallines de carbone, silicium, carbure de silicium, germanium et fluorure de lithium). Il s utilise, comme APE, par le biais du terminal Linux, et ses fichiers d entrée et de sortie sont édités sous forme de fichier texte. Abinit utilise un fichier d entrée, «atome.in» et un fichier «atome.files». [10] Dans «atome.files» sont référencés les fichiers d entrées, de sorties, ainsi que le pseudo-potentiel utilisé. Abinit va lire ce fichier pour savoir quelle entrée utiliser, où écrire en sortie, et quel pseudo-potentiel sont à utiliser. Une capture d écran de ce fichier est donnée ci-dessous : Fichier d entrée du calcul Fichier de sortie du calcul Fichier de sortie des fonctions d ondes Fichier d entrée des fonctions d ondes, s il y en a Fichier où sont enregistrées les données temporaires Pseudo-potentiel utilisé Notons tout de suite que dans les cas où la maille comporterait plusieurs atomes, il suffit de rajouter à la suite les différents pseudos potentiels utilisés pour chaque atome, dans l ordre dans lequel on a annoncé les atomes dans le fichier d entrée. solide 2) Type de simulation effectuées : calcul de la structure de bande d un Le fichier «atome.in» est un peu plus long, de ce fait nous ne décrirons que le calcul qu il permet d effectuer. Le fichier d entrée du carbone est disponible et commenté en annexe 1 pour plus 21
de précision sur les différentes fonctionnalités utilisées. Le principe est toujours le même : résoudre l équation de Kohn-Sham *3+ pour obtenir les valeurs propres du système. Le calcul s effectue en deux étapes. Premièrement, on calcul la densité électronique de notre maille, en utilisant une procédure auto-cohérente. Deuxièmement, on utilise cette densité pour calculer les valeurs propres de notre système, en suivant un chemin dans le réseau réciproque, donné par des vecteurs de référence (appelés L, γ, X, W, K dans notre cas) et ainsi obtenir les bandes Kohn-Sham de valence et de conduction de notre solide. Il est important de noter que les bandes Kohn-Sham sont les bandes du système artificiel (électrons sans interactions), la vraie structure de bande ne pouvant être obtenu par un calcul DFT, vu que la structure de bande n est pas directement issue des propriétés de l état fondamental. Cela dit en pratique, on le fait tout de même pour deux raisons. Premièrement, un calcul DFT est bien moins lourd qu un calcul GW (utilisant des fonctions de Green), qui permet lui d obtenir les énergies des quasi-particules. Deuxièmement, dans de nombreux cas, on a observé que les bandes issues d un calcul LDA Kohn-Sham ont une bonne dispersion, même si le gap est sous-estimé. Les valeurs donnant la structure de bande Kohn-Sham se trouvent dans le fichier «atome.out» au niveau de la liste des valeurs propres des résultats de la deuxième simulation. Certaines de ces valeurs propres sont présentées ci-après. On a écrit en rouge les valeurs propres des vecteurs de référence, et surligné en vert les valeurs supérieures et inférieures de la dernière bande de valence et de la première bande de conduction. On a aussi effectué un calcul de gap électronique, tel que l on en a fait plusieurs durant le stage. Ce gap peut permettre de valider le pseudo-potentiel utilisé, en le comparant avec une valeur de référence, dans le cas qui nous occupe. Eigenvalues ( ev ) for nkpt= 101 k points: L : kpt# 1, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.5000 0.5000 0.5000 (reduced coord) -3.06036-0.45944 9.85457 9.96583 21.92771 22.01067 22.57273 29.97442 kpt# 2, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.4706 0.4706 0.4706 (reduced coord) -3.26110-0.21942 9.86982 9.98112 21.92628 22.00935 22.56330 29.96428 kpt# 17, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0294 0.0294 0.0294 (reduced coord) -8.74498 12.49540 12.58045 12.66854 19.09458 19.16180 19.20716 27.67622 γ : kpt# 18, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0000 0.0000 0.0000 (reduced coord) -8.76911 12.56537 12.70682 12.71705 19.03508 19.10505 19.10821 27.65631 kpt# 19, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0000 0.0263 0.0263 (reduced coord) -8.74337 12.47690 12.61703 12.63479 19.05561 19.18830 19.23375 27.67653 kpt# 32, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0000 0.3684 0.3684 (reduced coord) -3.86785 4.35692 7.05851 7.14166 17.64792 20.47610 28.94568 29.03792 kpt# 36, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0000 0.4737 0.4737 (reduced coord) -0.86806 0.81398 6.46488 6.54694 18.06599 18.60751 30.99687 31.09384 X : kpt# 37, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0000 0.5000 0.5000 (reduced coord) -0.04481-0.03310 6.43992 6.52194 18.26460 18.34838 31.09942 31.19663 kpt# 38, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0250 0.5000 0.5250 (reduced coord) -0.03075-0.01898 6.39224 6.47336 18.35933 18.44228 31.04824 31.14627 kpt# 46, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.2250 0.5000 0.7250 (reduced coord) 0.66222 0.67786 4.61496 4.66972 23.73836 23.78070 26.55595 26.68090 W : kpt# 47, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.2500 0.5000 0.7500 (reduced coord) 0.68567 0.70193 4.56816 4.62134 24.16356 24.19302 26.13604 26.27279 kpt# 48, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.2679 0.4821 0.7500 (reduced coord) 0.41701 0.92112 4.33046 4.96136 23.49133 24.37829 26.40930 26.51585 kpt# 53, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.3571 0.3929 0.7500 (reduced coord) -0.31163 1.01067 3.63335 7.32903 19.35001 24.42185 28.31111 29.68533 K : kpt# 54, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.3750 0.3750 0.7500 (reduced coord) -0.33251 1.00438 3.61283 7.44268 19.18642 24.41528 28.42169 29.82773 22
kpt# 55, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.3864 0.3864 0.7273 (reduced coord) -0.65332 1.19749 3.63439 7.62672 19.36658 25.29150 27.92464 29.47159 L : kpt# 101, nband= 8, wtk= 1.00000, kpt= 0.0000 0.0000 0.0000 (reduced coord) -8.76911 12.56537 12.70682 12.71705 19.03508 19.10505 19.10821 27.65631 Gap : 17.64792-12.71705=4.93087. Valeur du gap trouvée par calcul Tran et Blaha. Ce sont les principales valeurs utilisées lors de ce stage, celles dont sont tirés les résultats présentés dans la partie III. En utilisant ces valeurs, on peut par exemple tracer la structure de bande de l élément considéré pour comparer deux fonctionnelles : il suffira de tracer sur un même graphique la structure de bande obtenue avec la fonctionnelle A, puis d y rajouter la structure de bande de la fonctionnelle B. 3) Effectuer une simulation A présent, nous allons voir comment effectuer proprement une simulation. Nous nous placerons juste après avoir générer notre pseudo-potentiel avec le programme APE, et après avoir référencé celui-ci dans le fichier «atome.files». Tout d abord, différents paramètres sont à régler dans le fichier «atome.in». A savoir les paramètres «ecut» et «ngkpt». [10] «ecut» est une limite donnée à la base sphérique d ondes planes que l on utilise pour développer les fonctions d'ondes de Bloch. La limite est donnée en termes de l'énergie cinétique de l'onde plane la plus énergétique. Cela contrôle le maximum d onde plane pour un point k donné (les points k étant les points du réseau). Si on considère une sphère centrée sur k et de rayon la valeur de «ecut», toutes les ondes planes à l intérieur sont prises en compte dans le calcul. Un bon choix de cette variable permet d accélérer considérablement la vitesse de calcul. Cela dit, si on prend un «ecut» trop petit, on perdra des informations sur le système et notre calcul deviendra faux. Comme la base d'ondes planes est une base complète, grâce au principe variationnel on peut être sûr que si on augmente «ecut» l'énergie totale du système va décroitre et que l on va s'approcher de la valeur pour laquelle on a convergence. [10] De même «ngkpt» contrôle nombre de points k dans une maille régulière qu on utilise pour calculer les sommes (intégrales) sur la zone de Brillouin, comme par exemple quand on veut obtenir la densité en sommant les modules carrés des orbitales de Kohn-Sham sur les points k et les bandes occupées. Plus on a un grand nombre de point k, moins le calcul est rapide. [10] La première chose à faire et donc de trouver les paramètres adéquats pour chaque pseudopotentiels. Pour cela on réalise une série de simulations en testant diverses valeurs croissantes de «ecut» et «ngkpt». A chaque simulation on obtient une énergie totale du système. Lorsque celle-ci ne varie plus d une valeur de «ecut» ou «ngkpt» à l autre, on a trouvé la valeur optimale pour ces paramètres. On a réalisé un test de convergence en «ecut» et «ngkpt». Ce test est très important car le temps de calcul d Abinit peut aller de quelques minutes comme de plusieurs heures. Notons tout de même que, si «ecut» doit être testé pour chaque pseudo-potentiel, le teste de convergence sur «ngkpt» peut normalement lui n être réalisé que lorsqu on change d atomes ou de structure cristalline. Après avoir réalisé ces opérations préliminaires, on peut se lancer dans la simulation à part entière. On exécute le programme avec la commande «abinit<atome.files>&log». L ajout du terme «log» permet la création d un fichier s écrivant au fur et à mesure de la simulation, et qui recense l évolution de celle-ci, ainsi que les différents problèmes rencontrés. C est un élément très important car il permet bien souvent de résoudre rapidement les problèmes et bugs lors d une simulation. Lorsque la simulation est terminée, on récupère les données dans le fichier «atome.out». Un petit script, mis au point par M. Marques, chercheur au LPMCN à Lyon, permet d extraire directement les bandes du fichier «atome.out», en les centrant autour de l énergie de Fermi, qui est mise à zéro. 23
Nous venons de présenter les programmes que nous avons utilisés lors de ce stage, ainsi que la théorie sous-jacente à ces calculs. A présent, il nous faut parler des simulations que nous avons effectuées, les objectifs qui ont motivé celles-ci, et donner une interprétation des résultats obtenus. III) Simulations, résultats, exploitation A) Objectifs, simulations et résultats 1) Objectifs Dans un article publié le 3 juin 2009, messieurs Tran et Blaha faisait état de la mise au point d une nouvelle fonctionnelle [1], dérivée de celle de Becke et Johnson [5] (cf. partie I paragraphe C). Cette fonctionnelle donnant, d après l article de bon résultats quant à l ouverture des gaps électronique des solides, nous avons travaillé à l étude de celle-ci, en essayant de retrouver les résultats obtenus par l article, et donc ainsi obtenir des pseudo-potentiels utilisable par cette fonctionnelle. Notons que messieurs Tran et Blaha font essentiellement des calculs «all electron». De ce fait, cette fonctionnelle n a pas de pseudo-potentiel déjà créé. Il faut donc en fabriquer, et cela est plus difficile que pour un calcul LDA, du fait qu on utilise pour les générer une fonctionnelle de Becke et Johnson. Pourquoi est-ce si important de créer de nouvelles fonctionnelles, et qu est-ce qui rend celle-ci plus intéressante que les autres? Pour répondre à ces questions, il faut parler du problème majeur en DFT : la DFT est une théorie de l état fondamental. Elle ne peut donc pas, à priori, calculer les propriétés d états excités. Cela dit, comme nous l avons expliqué au début du paragraphe 2 de la partie II, on utilise tout de même la DFT, car elle donne des résultats assez bon, pour un temps de calcul très faible par rapport à d autre techniques. Malheureusement, les gaps électroniques sont toujours largement sous-estimés par rapport aux résultats expérimentaux. Par exemple, pour le germanium, la LDA nous donne un gap nul, alors qu il est de 0.74 ev expérimentalement. La fonctionnelle de Tran et Blaha nous donne elle, selon l article, un gap de 0.85 ev, ce qui est vraiment très proche de la réalité. Pour donner une idée de ces différences de gap, nous avons référencé dans le tableau A.1.1 les Solide LDA (ev) Tran et Blaha Expérimental (ev) (MBJLDA) (ev) C 4.11 (75%) 4.93 (90.0%) 5.48 Si 0.47 (40.2%) 1.17 (100%) 1.17 Ge 0.00 0.85 (114,9%) 0.74 SiC 1.35 (56.3%) 2.28 (95%) 2.40 LiF 8.94 (63%) 12.94 (91.1%) 12.94 résultats des calculs LDA, Tran et Blaha et les valeurs expérimentales trouvées, telles qu elles sont présentées dans l article de messieurs Tran et Blaha [1] : TableauA.1.1 : comparant les résultats obtenus par simulation LDA et Tran et Blaha aux résultats expérimentaux. Entre parenthèses sont indiqué la proximité en pourcent avec le résultat expérimental. 24
L importance d améliorer les fonctionnelles et d en créer d autre réside dans le fait que plus on aura de bonnes fonctionnelles pour faire nos calculs en physique du solide, plus on pourra créer de nouveaux matériaux. Il faut donc impérativement trouver le moyen de réduire l écart de gap qui sépare les valeurs théorique et expérimentale. 2) Simulations sur le silicium, le carbone et le germanium, résultats Dans un premier temps nous nous sommes attachés à vérifier les résultats pour des semiconducteurs simples, à savoir une maille cristalline de carbone, silicium et enfin de germanium. Nous avons procédé tel que décrit dans la partie sur les programmes de simulation : nous avons généré un pseudo-potentiel atomique pour le semi-conducteur considéré à l aide du programme APE, puis nous avons effectué une simulation sur Abinit, après avoir régler les divers paramètres nécessaire à l optimisation des calculs. Nous présentons les résultats trouvés pour ces trois solides dans le tableau A.2.1, avec les conditions de génération du pseudo-potentiel et les paramètres utilisé dans Abinit. Solide Ecut (en Hartree) Kpoint R l (en bohr) Gap trouvé (en ev) C 60 4 4 4 2s : 1.485 2p : 1.485 Si 60 4 4 4 3s : 2.2 3p : 2.25 3d : 1.4 Ge 60 4 4 4 4s : 2.1 4d : 2.6 4d : 2.6 Gap article (en ev) Gap expérimental (en ev) 4.93 4.93 5.48 0.99 1.17 1.17 0.85 0.85 0.74 Tableau A.2.1 présentant les résultats des simulations du carbone, du silicium et du germanium, avec les conditions de simulations. On remarque que l on retrouve les gaps de l article, même pour le silicium (la différence étant très faible entre le gap de l article et celui trouvé par simulation). Les conditions de simulations sur «ecut» et «kpoint» sont les même du fait de la grande similitude entre ces trois atomes. En effet, ils appartiennent à la même colonne du tableau périodique des éléments. De ce fait, ils ont de nombreuses propriétés électroniques en commun, notamment ils ont le même nombre d électrons de valence. On constate que pour le silicium et le germanium, on a donné des rayons de coupure pour les orbitales 3d (Si) et 4d (Ge), orbitales pourtant vides en électrons. La raison est que bien que ces couches électroniques soient vides, le système admet tout de même des symétries sur celles-ci. Ainsi la couche 3d pour le silicium (4d pour le germanium) a une influence sur le calcul, et il faut donc les prendre en compte pour obtenir de bons résultats. Notons que le problème ne se pose pas pour le carbone, la couche 2d n existant pas (pas de symétries) et ajouter une orbitale 3d n est d aucune utilité (pour les même raisons). Nous présentons dans l annexe 3 les graphiques représentant les structures de bande du carbone et 25
du silicium, en comparaison avec les structures de bande issues d un calcul LDA. 3) Simulation sur LiF et SiC, résultats. Nous avons séparés la présentation des simulations de LiF et SiC d avec celle de C, Si, et Ge car elles différent sur quelques points lors de leur exécution. LiF et SiC sont des systèmes composés de deux atomes différent par maille. On applique donc deux pseudo-potentiels différents lors d une même simulation sur Abinit. Nous rappelons que cela est possible en ajoutant un pseudo-potentiel dans le fichier «atome.files». Commençons par le plus simple, SiC. Nous avons déjà obtenu un pseudo-potentiel pour ces deux atomes lors de simulations précédentes. Il n a donc suffit que de reprendre ces derniers et de les réinjecter dans le programme. Nous notons tout de même des modifications importante sur les paramètres de simulations, notamment «ecut» est plus élevé. Le temps de calcul se voit lui aussi augmenté. La raison de tout ceci semble évidente : le système est plus complexe (2 atomes différents) et on utilise deux fonctions pour le pseudo-potentiel, donc de nombreux paramètres à prendre en compte. Cela dit, nous n avons pas rencontré de problèmes particuliers pour traiter SiC, étant donné que les pseudo-potentiels étaient déjà prêts. Voici les résultats de SiC : Solide Ecut Kpoint R l Gap trouvé (ev) Gap article (ev) Gap expérimental (ev) SiC 60 4 4 4 Voir C et Si 2.13 2.28 2.40 Tableau A.3.1 présentant les résultats de la simulation pour le carbure de silicium sous forme cristalline. Là encore on trouve une petite différence entre le gap de l article et le gap issu de la simulation. Le pseudo-potentiel du carbone ayant donné de très bons résultats lors de la simulation sur la maille cristalline de carbone (100% de correspondance), le problème semble venir directement du pseudopotentiel du silicium. Celui-ci n étant pas totalement le même que celui trouvé dans l article, on peut admettre qu il perturbe la simulation sur une maille telle que SiC, et donne une petite erreur, de l ordre de celle qu il admet sur la simulation de la maille de silicium cristalline. Pour LiF, la procédure suivie est quelque peu différente. En effet, nous n avions pas de résultats pour des mailles de lithium ou de fluor. Il a donc fallu générer deux pseudo-potentiels simultanément. Les conditions de simulations se trouvent ici bien différentes étant donné que le lithium et le fluor sont deux atomes très différents des autres atomes testés, le lithium étant un métal alcalin et le fluor un halogène. Ils n ont tous les deux rien à voir avec le carbone, le silicium ou le germanium, tant par leurs propriétés électronique que chimique. Nous présentons dans le tableau A.3.2 les résultats pour le fluorure de lithium, sous forme cristalline. 26
Solide Ecut Kpoint R l du Lithium (Bohr) LiF 120 4 4 4 2s : 2.2 2p : 2.2 R l du Fluor (Bohr) 2s : 0.8 2p : 0.8 Gap trouvé (ev) Gap article (ev) Tableau A.3.2 présentant les résultats de la simulation pour le fluorure de lithium sous forme cristalline. Nous avons ici trouvé un résultat identique à celui de l article. Le temps de calcul est plus élevé que pour les autres simulations (C, Si, Ge), du fait du paramètre «ecut» beaucoup plus important. Cela dit, il reste tout de même raisonnable, du fait que l on a moins d électrons à prendre en compte que pour SiC. Le temps de calcul s élève à peu près à 5 min, de même pour SiC. Nous indiquons que vous pouvez également consulter les graphiques représentants les structures de bande de LiF et SiC en comparaison avec les structure de bandes issues d un calcul LDA en annexe 2. Gap expérimental (ev) 12.93 12.94 14.20 Les simulations sur les semi-conducteurs présentés dans cette partie ont semble-t-il donné des résultats proche de ceux trouvé par l article de messieurs Tran et Blaha. Nous allons maintenant nous attacher à présenter les structures de bandes issues de ces calculs, pour mieux observer les propriétés de cette fonctionnelle. B) Structure de bande obtenues, exploitation 1) Structure de bande de C, Si, LiF, SiC, comparaison avec le calcul LDA En annexe 2 vous trouverez toutes les structures de bande de tous les solides que nous avons soumis à une simulation. Nous y avons représenté les quatre dernières bandes de valences et les deux premières bandes de conduction de chaque système, ainsi que la structure de bande issue d une simulation LDA. Nous ne présenterons pas dans ce paragraphe toutes les structures de bandes obtenues, mais seulement celles qui permettront de bien comprendre les modifications apportées par la fonctionnelle de Tran et Blaha. Les autres structures pouvant être interprétées de la même façon. Voici donc la structure de bande de la maille cristalline de carbone (graphique 3.1.1). 27
Graphique 3.1.1 : Structure de bande de la maille cristalline de carbone par calcul Tran et Blaha et LDA. On remarque immédiatement une chose : tous les gaps Tran et Blaha sont plus ouvert que les gaps LDA. C est une bonne chose, puisque cette fonctionnelle est censée apporter un plus par rapport à LDA sur ce point-là. On remarque aussi que la modification apportée par Tran et Blaha apparaît surtout sur les bandes de conduction, les bandes de valences pour les deux types de calcul étant relativement les mêmes. Les modifications se situent donc essentiellement sur les bandes de conductions. On peut voir que de telles modifications se répètent sur d autres mailles, comme par exemple pour LiF (graphique 3.1.2) : 28
Graphique 3.1.2 : Structure de bande de la maille cristalline de fluorure de lithium. En plus de mettre en évidence les observations précédentes, on remarque aussi que la maille LiF diffère grandement des autres de par sa structure de bande, ce qui confirme les suggestions du paragraphe précédent quant à la différence de nature des atomes de lithium et fluor par rapport au carbone, silicium et germanium. Ainsi la fonctionnelle de Tran et Blaha est parvenu à faire se rapprocher les calculs théorique des observations expérimentales. Cela dit des différences demeures, comme nous allons le voir dans le paragraphe suivant. 2) Différence avec les résultats expérimentaux Certains gaps trouvés (tableaux A.2.1, A.3.1 et A.3.2) diffèrent encore des gaps expérimentaux. Pour le germanium, le gap est légèrement surévalué, mais la différence (0.10 ev) n est pas très importante. Le gap du silicium est aussi très proche du gap expérimental, et d après l article, on trouve le même. Remarquons que ces des atomes ont des gaps petits, de l ordre de 1 à 2 ev. Ils sont donc soumis, d après le paragraphe C de la partie 1, à un facteur c dans la fonctionnelle de Tran et Blaha de l ordre de 1.1 à 1.3 (sans unités). [1] Pour ce qui est de LiF et de C, ce sont deux atomes avec des gaps assez grand (expérimentalement : 29
5.48 pour le carbone, 14.20 pour LiF). On remarque un plus grand écart entre les gaps issus de simulation et les gaps expérimentaux que pour Si et Ge, dû au fait que le gap est plus important. On rappelle que le facteur c de la fonctionnelle de Tran et Blaha est de l ordre de 1.4 à 1.7 (sans unités). [1] Le pourcentage d écart entre les gaps expérimentaux et Tran et Blaha entre C, LiF et Ge, Si et SiC est à peu près le même, ce qui montre un certain succès de la fonctionnelle de Tran et Blaha quant aux différents systèmes qu elle peut traiter (petit et grand gap ici). L ajout du facteur c dans la fonctionnelle de Tran et Blaha, par rapport à Becke et Johnson, a permis l amélioration des résultats en terme de calcul de structure de bandes, par l ouverture des gaps électronique. Ainsi ce facteur c est important et ne doit pas être pris à une valeur inférieure ou égale à 1 (sinon on retombe sur Becke et Johnson). Cette fonctionnelle donne de bien meilleurs résultats que la LDA quant à l ouverture des gaps électronique des solides. Il est donc plus avantageux de l utiliser lors de calcul. Elle est tout de même à comparer aux autres fonctionnelles et méthodes de calcul telles que GW, HSE, G 0 W 0, qui donnent parfois de meilleurs résultats [1]. Ainsi nous avons pu constater que la fonctionnelle de Tran et Blaha répondait assez bien à nos attentes, à savoir l ouverture des gaps électronique. Il est à noter que tout au long de cet exposé, nous ne nous sommes pas demandé si cette fonctionnelle était correcte. En effet, il serait judicieux de la tester dans divers cas, comme lors de système présentant des défauts dans les mailles. Ceci pour essayer de comprendre comment elle fonctionne, et savoir pour quelles raisons physique elle nous fournit les bons résultats. Il est en effet bon de rappeler qu en DFT, le contenu physique dans les fonctionnelles n est pas toujours un prérequis lors de leur fabrication. 30
Conclusion La théorie de la fonctionnelle de la densité, et les pseudo-potentiels, sont deux outils de calcul puissant en physique du solide. Ils permettent avec une grande facilité et un temps de calculs très court par rapport à d autre méthode comme Hartree-Fock, d obtenir les propriétés physiques de différents matériaux, par simulations informatique. Ces méthodes ont souffert et souffrent encore de certains défauts, que les physiciens tentent de supprimer. C est le but de la fonctionnelle de Tran et Blaha, qui, sans y parvenir totalement, a permis de se rapprocher des résultats expérimentaux. En effet comme nous l avons vu, elle donne de meilleurs résultats que la LDA (fonctionnelle la plus utilisé actuellement), tout en conservant un temps de calcul raisonnable. De plus, une meilleure simulation des gaps électronique des solides permet d améliorer les modèles physiques, d imaginer, et de créer plus facilement de nouveaux semi-conducteurs. Dans le contexte actuel de recherche de nouveaux moyens de stocker ou produire de l énergie, l étude de ce genre de matériaux est fondamentale, puisqu ils sont un élément essentiel des matériaux photovoltaïques. Mais les applications des semi-conducteurs sont bien plus vaste que seul le photovoltaïque. On en trouve aussi dans les écrans d ordinateur par exemple et d une manière générale ils sont largement utilisés dans l industrie informatique et l électronique (plus gros consommateur mondial). Il est donc indispensable d optimiser ces matériaux, et donc d améliorer les méthodes de calculs ab-initio, dans le but de créer rapidement et facilement de nouveaux solides. A travers ce stage, nous avons pu découvrir le travail en laboratoire de recherche, ainsi que la recherche fondamentale en elle-même. Nous avons pu aussi nous intéresser de prêt à un domaine de la physique, ce qui nous a permis de voir les réalités du monde du travail en recherche, ainsi que de favoriser notre intérêt pour la physique en elle-même. A travers la découverte d une partie des possibilités qu elle offre, de manière concrète, en tant que science de description du monde, ce stage nous a permis d augmenter, sinon de renouveler, notre attachement pour cette discipline. 31
Annexe 1 : Exemple d un fichier d entrée d Abinit : le calcul de la structure de bande du carbone Les éléments après le signe # sont les commentaires permettant de comprendre les différentes fonctions utilisées dans ce fichier. Les unités sont toujours les unités atomiques, si on ne les précises pas. c.in : ndtset 2 ixc -012208 usekden 1 prtkden 1 #Permet de signifier à abinit que l on réalise deux #calculs : la génération de la densité, puis le calcul de la #structure de bande. #On utilise la fonctionnelle de Tran and Blaha, référencé #par «-012208» #Ces deux options permettent de signifier à Abinit que l on # souhaite sauvegarder la densité trouvée lors de la #simulation. # Definition of the k-point grid ngkpt1 4 4 4 nshiftk1 4 shiftk1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.0 0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.5 tolwfr1 1.0d-16 prtden1 1 #Nombre de points k par maille. #Configuration de la maille. #Critère de convergence sur les fonctions d onde. #Permet d enregistrer la densité. iscf2-2 #On réalise un calcul non auto-cohérant pour la 2 e simulation getden2-1 #On récupère la densité calculée dans le calcul précédent. kptopt2-7 # 7 segments : symétries du système ndivk2 17 19 10 7 11 14 22 # divisions des segments kptbounds2 # limites des segments 0.5 0.5 0.5 # L 0 0 0 # Gamma 0 0.5 0.5 # X 0.25 0.5 0.75 # W 0.375 0.375 0.75 # K 0.5 0.5 0.5 # L 0.25 0.5 0.75 # W 0 0 0 # Gamma tolwfr2 1.0d-12 enunit2 1 prtvol2 2 #Critère de convergence en fonction d onde. # Definition of the planewave basis set ecut 90 #Cut-off en énergie 32
# Definition of the SCF procedure nstep 250 diemac 12.0 #Nombre d itération maximum. # Definition of the unit cell: fcc acell 3*3.5670/0.529177 rprim 0.0 0.5 0.5 0.5 0.0 0.5 0.5 0.5 0.0 # Definition of the atom types ntypat 1 znucl 6 #Paramètre de maille #Positions des atomes dans la maille #nombre d atome différents. #Nombre d électrons de l atome. # Definition of the atoms natom 2 #Nombre d atome par maille. typat 1 1 #Type de chaque atome. xred # Position des atomes, en coordonnées réduite (on considère 0.0 0.0 0.0 #que l atome en 0.0 0.0 0.0 est le centre du système). 0.25 0.25 0.25 nband2 8 #Nombre de bande. 33
Annexe 2 : Structures de bandes du Carbone, Silicium, Germanium, Carbure de Silicium, Fluorure de Lithium par calcul Tran et Blaha, comparaison avec les bandes LDA. 34
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Bibliographie : Pour réaliser ce rapport nous nous sommes basé sur des articles de Physical Review Letters, et sur des ouvrages traitant des pseudo-potentiels et de la DFT. Nous vous présentons ici la bibliographie utilisée : Articles : [1] F.Tran and P.Blaha, Phys Rev.Lett 102, 226401 (2009) [2] P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev.Lett 136, B864 B871 (1964) [3] W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965). [4] J. P. Perdew and K. Burke, Int. J. Quantum Chem. 57, 309 (1996). [5] A. D. Becke and E. R. Johnson, J. Chem. Phys. 124, 221101 (2006) [6] N.Troullier and J.L.Martins, Phys Rev B 43, 1993-2006 (1991) [7] J.C. Phillips and L. Kleinman, Phys Rev 116, 1959 Livres : [8] C. Fiolhais, F. Nogeuira, M.A.L. Marques, A Primer in Density-Functional Theory, Lecture notes in Physics, Vol. 620, Springer, Berlin, 2003, chapitres 1 et 6. [9] K.Burke and friends, The ABC of DFT, http:// dft.uci.edu/materials/bookabcdft/gamma /g1.pdf Thèse : [10] Micael Oliveira, Relativistic effects in the optical response of low-dimensional structures : new developments and applications within a tome-dependent density functional theory framework, University of Coimbra, 2008 Site internet : [11+ Site du tutorial d Abinit, http://www.abinit.org/documentation/helpfiles/forv6.2/tutorial/welcome.html 37